Insieme ai colleghi internazionali, gli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno aggiunto un'altra importante componente per comprendere il materiale grafene; un materiale che sta attualmente ricevendo molta attenzione:hanno determinato la durata degli elettroni nel grafene in intervalli di energia inferiori. Questo è di grande importanza per il futuro sviluppo di componenti elettronici e optoelettronici veloci. I risultati sono stati pubblicati proprio di recente nell'edizione online della rivista Lettere di revisione fisica .

Dopo che la scoperta del grafene era stata insignita del Premio Nobel per la Fisica lo scorso anno, molti team di ricerca in tutto il mondo hanno cercato di comprendere meglio le proprietà fondamentali del materiale per consentire applicazioni elettroniche e optoelettroniche promettenti come i transistor ei rilevatori rapidi per la trasmissione ottica dei dati. Il grafene – un singolo strato di carbonio i cui atomi sono disposti in un esagono come un nido d'ape – è molto interessante anche come materiale per elettrodi trasparente per schermi piatti e celle solari. Secondo il ricercatore HZDR Dr. Stephan Winnerl, il grafene potrebbe sostituire lo scarso indio metallico ad alta tecnologia in questo campo.

Con le sovvenzioni del programma prioritario "Graphene" della Fondazione tedesca per la ricerca e i fondi dell'Unione europea, Stephan Winnerl e i suoi colleghi dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) insieme a scienziati della Technische Universität (TU) di Berlino, il laboratorio di Grenoble High Magnetic Field, e il Georgia Institute of Technology, STATI UNITI D'AMERICA, è riuscito a determinare la "durata" degli elettroni nel grafene in intervalli di energia inferiori che non erano stati studiati prima.

Il comportamento caratteristico degli elettroni in intervalli di energia specifici che si trovano tipicamente nei solidi è una delle tante proprietà fisiche in cui il grafene è fondamentalmente diverso dalla maggior parte degli altri materiali:normalmente, gli elettroni possono adottare solo livelli energetici specifici (questi sono indicati come bande di energia), ma non altri (questi sono indicati come gap energetici). Questo principio viene utilizzato, Per esempio, per tali componenti optoelettronici come i diodi emettitori di luce che emettono luce a lunghezze d'onda molto specifiche:questo rilascia energia che gli elettroni liberano mentre "saltano" le lacune energetiche.

Ma il comportamento del grafene è diverso dagli altri semiconduttori:le bande di energia si toccano senza la comparsa di spazi vuoti. Invece di emettere luce, il grafene è in grado di assorbire la radiazione di energie inferiori al di sotto dello spettro visibile, come terahertz e luce infrarossa; così, rendendolo un materiale eccellente per i rilevatori.

Essere in grado di sviluppare rapidamente componenti elettronici e optoelettronici a base di grafene, bisogna sapere con precisione per quanto tempo gli elettroni permangono a specifici livelli di energia. L'esame di tali processi, che si verificano nell'intervallo dei picosecondi, cioè la scala temporale di un milionesimo di milionesimo di secondo, richiede metodi di osservazione estremamente rapidi. La caratteristica unica degli esperimenti condotti all'Helmholtz-Zentrum di Dresda è l'esposizione dei campioni di grafene alla luce che aveva lunghezze d'onda più lunghe che mai. Ciò è stato reso possibile dai brevi impulsi di radiazione del laser a elettroni liberi (FEL) dell'HZDR. I ricercatori erano, così, in grado di studiare la vita degli elettroni vicino al punto di contatto delle bande di energia che è l'unica proprietà fisica caratteristica del grafene.

Il FEL ha eccitato i campioni di grafene con luce che aveva lunghezze d'onda diverse nella gamma dell'infrarosso. I ricercatori hanno scoperto che l'energia delle particelle luminose che eccitano gli elettroni e le oscillazioni del reticolo atomico influenzano la durata degli elettroni:se l'energia delle particelle luminose è maggiore dell'energia delle oscillazioni reticolari, quindi gli elettroni altereranno il loro stato energetico più rapidamente e avranno una vita più breve. Al contrario, gli elettroni rimarranno più a lungo a un livello di energia specifico se l'energia di eccitazione è inferiore all'energia delle oscillazioni del reticolo.

Le intuizioni ottenute dagli esperimenti sono corroborate dai calcoli del modello della TU Berlin. Questi calcoli consentono una chiara assegnazione dei dati sperimentali ai meccanismi fisici nel grafene. I ricercatori hanno, così, ha dato un prezioso contributo per una migliore comprensione delle proprietà elettroniche e ottiche del grafene.